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@ohisama@github

windowsでiverilog その229

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Last updated at Posted at 2026-08-11

概要　

windowsでiverilogやってみた。
8bit CPU、書いてみた。
命令を拡張してみた。

命令一覧

基本命令一覧 (上位4ビット op で識別)

プログラムコード（12ビット）の上位4ビット（code[11:8]）で判別される基本命令です。

オペコード (op) 命令名 引数 (opland) スタック変化 動作説明
4'h0 HALT なし なし プログラムの実行を停止します（PCをその場に固定）。
4'h2 PUSH 8ビット数値 [ → opland ] 指定した8ビットの即値（opland）をスタックに積みます。
4'h3 ADR 6ビットアドレス なし ジャンプ先のアドレスレジスタ（adr）に値をセットします。
4'h4 JEQ なし [ q[0] → ] 条件付きジャンプ： もし q[0] が 1以外 なら pc <= adr へジャンプします。q[0] が 1 なら次の命令に進みます。実行後、q[0] はポップされて消滅します。
4'h5 OUT なし [ q[0] → ] スタックトップの q[0] の値を外部出力ポート（outport）に書き出し、ポップします。
4'h8 DUP なし [ → q[0] ] スタックトップの値を複製して積みます（※4'hF の 8'h20 と同等）。
4'h9 DROP なし [ q[0] → ] スタックトップの値を1つ破棄します（※4'hF の 8'h21 と同等）。
4'hF EXT （下位を参照） 下位に依存 拡張命令モード。下位8ビット（opland）で具体的な演算を指定します。

op = 4'h4 の挙動は opland に応じて以下のように変化します。

オペコード (op) 拡張機能 (opland) 命令名 スタック変化 動作説明
4'h4 8'h00 IF0 [ q → ] 0ならジャンプ: q が 0 であれば pc <= adr へジャンプします。そうでなければ次の命令へ。
4'h4 8'h01 IF1 [ q → ] 1ならジャンプ: q が 1 であれば pc <= adr へジャンプします。そうでなければ次の命令へ。
4'h4 8'h0F jmp [ q → ] ジャンプ: 無条件で、 pc <= adr へジャンプします。

2. 拡張演算・システム命令一覧 (op = 4'hF 時の下位8ビット)

op が 4'hF のとき、下位8ビット（code[7:0]）の値によって以下の演算やI/O処理を行います。
算術・論理演算命令 (実行後に必ず1回ポップされるため、2引数を消費して1結果を残す)

opland 命令名 算術式 / 動作 スタック変化 (実行前 → 実行後)
8'h00 + 加算 [ q[1], q[0] ] → [ (q[1] + q[0]) ]
8'h01 - 減算 [ q[1], q[0] ] → [ (q[1] - q[0]) ]
8'h02 * 乗算 [ q[1], q[0] ] → [ (q[1] * q[0]) ]
8'h03 / 除算（0除算時は0） [ q[1], q[0] ] → [ (q[1] / q[0]) ]
8'h04 mod 剰余（0除算時は0） [ q[1], q[0] ] → [ (q[1] % q[0]) ]
8'h0F = 比較（等しい） [ q[1], q[0] ] → [ 等しければ1, 違えば0 ]
8'h10 < 比較（より小さい） [ q[1], q[0] ] → [ q[1] < q[0] なら1, 違えば0 ]
8'h11 > 比較（より大きい） [ q[1], q[0] ] → [ q[1] > q[0] なら1, 違えば0 ]
8'h12 max 最大値選択 [ q[1], q[0] ] → [ 大きい方の値 ]
8'h13 min 最小値選択 [ q[1], q[0] ] → [ 小さい方の値 ]
8'h14 and ビット論理積 [ q[1], q[0] ] → [ (q[1] & q[0]) ]
8'h15 or ビット論理和 [ q[1], q[0] ] → [ (q[1]
8'h16 invert ビット反転 (※ポップなし) [ q[0] ] → [ ~q[0] ]

スタック操作命令 (Forth互換ワード)

opland 命令名 動作説明 スタック変化 (実行前 → 実行後)
8'h20 dup スタックトップを複製してプッシュ。 [ q[0] ] → [ q[0], q[0] ]
8'h21 drop スタックトップを1つ削除。 [ q[0] ] → [ ]
8'h22 swap 上位2つの値を入れ替える。 [ q[1], q[0] ] → [ q[0], q[1] ]
8'h23 over 上から2番目の値を複製して一番上に積む。 [ q[1], q[0] ] → [ q[1], q[0], q[1] ]
8'h24 rot 上位3つの値を回転させる (q[0]がq[1]へ、q[1]がq[2]へ、q[2]がq[0]へ)。 [ q[2], q[1], q[0] ] → [ q[1], q[0], q[2] ]

コンソール出力・デバッグ命令 (シミュレータ表示用)

opland 命令名 動作説明 スタック変化
8'h30 . q[0] の値を「数値（10進数）」としてコンソールに表示し、ポップ。 [ q[0] → ]
8'h31 emit q[0] の値を「ASCII文字」としてコンソールに表示し、ポップ。 [ q[0] → ]
8'h32 cr 改行（システムに \n）を出力。 なし
8'h33 space 半角スペース（" "）を出力。 なし
8'h34 .s デバッグ用。現在のスタックの中身（q[0]?q[5]）を一覧表示。 なし

特殊命令

opland 命令名 動作説明 スタック変化
8'h40 random Verilogの $random 関数を用いて、0?255のランダムな数値をスタックに積む。 [ → 乱数 ]

サンプルコード


module cpu8(input clk, input rst, output [7:0] outport);
	integer i;
	reg [7:0] q [0:5];
	reg [11:0] rom [0:127];
	reg [6:0] pc;
	reg [6:0] adr;
	reg [7:0] out;
	wire [11:0] code = rom[pc];
	wire [3:0] op = code[11:8];
	wire [7:0] opland = code[7:0];
	assign outport = out;
	initial
	begin
		//$monitor(" pc: %d top: %d next: %d adr: %d", pc, q[0], q[1], adr);
	end
	always @(posedge clk)
	begin
		if (rst)
		begin
			rom[0] <= 12'h0_00; // HALT

			for (i = 0; i < 6; i = i + 1)
				q[i] <= 0;
			adr <= 0;
			out <= 0;
			pc <= 0;
		end
		else
		begin
			case (op)
			4'h0: // HALT
				pc <= pc;
			4'h2: // PUSH
			begin
				q[5] <= q[4]; q[4] <= q[3]; q[3] <= q[2]; q[2] <= q[1]; q[1] <= q[0];
				q[0] <= opland;
				pc <= pc + 1;
			end
			4'h3: // ADR
			begin
				adr <= opland[5:0];
				pc <= pc + 1;
			end
			4'h4: // IF (ジャンプ命令)
			begin
				case (opland)
				8'h00: // JEQ (topが0ならジャンプ)
				begin
					if (q[0] == 8'd0)
						pc <= adr;
					else
						pc <= pc + 1;
					q[0] <= q[1]; 
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h01: // JNE (topが1ならジャンプ)
				begin
					if (q[0] == 8'd1)
						pc <= adr;
					else
						pc <= pc + 1;
					q[0] <= q[1]; 
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'hFF: // JMP (無条件ジャンプ)
				begin
					pc <= adr;
				end
				default:
					pc <= pc + 1;
				endcase
			end
			4'h5: // OUT
			begin
				out <= q[0];
				q[0] <= q[1]; 
				q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				pc <= pc + 1;
			end
			4'h8: // DUP
			begin
				q[5] <= q[4]; q[4] <= q[3]; q[3] <= q[2]; q[2] <= q[1]; q[1] <= q[0];
				q[0] <= q[0];
				pc <= pc + 1;
			end
			4'h9: // DROP
			begin
				q[0] <= q[1]; 
				q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				pc <= pc + 1;
			end
			4'hf: // EXTENDED
			begin
				case (opland)
				// --- 2つの引数を消費して、計算結果を新q[0]に格納する正しい演算処理 ---
				8'h00: // +
				begin
					q[0] <= q[1] + q[0];
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h01: // -
				begin
					q[0] <= q[1] - q[0];
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h02: // *
				begin
					q[0] <= q[1] * q[0];
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h03: // /
				begin
					q[0] <= (q[0] != 0) ? q[1] / q[0] : 8'd0;
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h04: // mod
				begin
					q[0] <= (q[0] != 0) ? q[1] % q[0] : 8'd0;
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h0F: // =
				begin
					q[0] <= (q[1] == q[0]) ? 8'd1 : 8'd0;
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h10: // <
				begin
					q[0] <= (q[1] < q[0])  ? 8'd1 : 8'd0;
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h11: // >
				begin
					q[0] <= (q[1] > q[0])  ? 8'd1 : 8'd0;
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h12: // max
				begin
					q[0] <= (q[0] > q[1]) ? q[0] : q[1];
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h13: // min
				begin
					q[0] <= (q[0] < q[1]) ? q[0] : q[1];
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h14: // and
				begin
					q[0] <= q[1] & q[0];
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h15: // or
				begin
					q[0] <= q[1] | q[0];
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h16: // invert
				begin
					q[0] <= ~q[0];
				end
				8'h20: // dup
				begin
					q[5] <= q[4]; q[4] <= q[3]; q[3] <= q[2]; q[2] <= q[1]; q[1] <= q[0]; 
					q[0] <= q[0];
				end
				8'h21: // drop
				begin
					q[0] <= q[1];
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h22: // swap
				begin
					q[0] <= q[1];
					q[1] <= q[0];
				end
				8'h23: // over
				begin
					q[5] <= q[4]; q[4] <= q[3]; q[3] <= q[2]; q[2] <= q[1]; q[1] <= q[0]; 
					q[0] <= q[1];
				end
				8'h24: // rot
				begin
					q[0] <= q[2];
					q[1] <= q[0];
					q[2] <= q[1];
				end
				8'h30: // .
				begin
					$write("%d ", q[0]);
					q[0] <= q[1]; 
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h31: // emit
				begin
					$write("%c", q[0]);
					q[0] <= q[1]; 
					q[1] <= q[2]; q[2] <= q[3]; q[3] <= q[4]; q[4] <= q[5]; q[5] <= 8'd0;
				end
				8'h32: // cr
				begin
					$display("");
				end
				8'h33: // space
				begin
					$write(" ");
				end
				default: ;
				endcase
				pc <= pc + 1;
			end
			default:
				pc <= pc + 1;
			endcase
		end
	end
endmodule

以上。

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